鈷陽極電流密度對摩擦輔助雙陽極電鑄鎳-鈷合金的影響

章勇 ，錢雙慶，付新峰

（1.沙洲職業(yè)工學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 張家港 215600；2.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019）

鎳-鈷合金鍍層具有良好的磁性、機(jī)械性和電催化性，被廣泛應(yīng)用于電子、計(jì)算機(jī)、汽車、儲(chǔ)能裝置、航空航天等領(lǐng)域[1-3]。鎳-鈷合金電沉積的影響因素主要有鍍液pH、組成、溫度，以及電流密度等。Ignatova等[4]研究了在檸檬酸鹽體系中Ni2+和Co2+的濃度比對鎳-鈷合金鍍層元素組成和相結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)隨鍍液中Co2+濃度增大，合金鍍層的Co含量和晶粒尺寸增大，呈現(xiàn)出面心立方(fcc)和六方密排(hcp)晶格的混合結(jié)構(gòu)。Radadi等[5]采用酸性氨基乙酸體系電沉積鎳-鈷合金，研究了鍍液中Ni2+/Co2+濃度比、氨基乙酸濃度、pH、電流密度和溫度對電流效率和鍍層Co含量的影響。

目前電沉積鎳-鈷合金所采用的陽極主要有以下3種：(1)只使用鎳陽極，這種最常見，優(yōu)點(diǎn)是無需關(guān)注鎳陽極的溶解情況，根據(jù)鍍液中鈷離子的消耗情況補(bǔ)充鈷鹽即可，但實(shí)際上，鍍液中鈷離子濃度難以測定和維護(hù)[6-7]；(2)同時(shí)使用鎳陽極和鈷陽極，可通過調(diào)整兩個(gè)陽極的電流密度來控制鍍液中鎳離子和鈷離子的濃度，對鍍層中Ni、Co含量的控制相對容易[8-10]；(3)使用鎳-鈷合金陽極，所得合金鍍層的元素組成與陽極接近，但對鍍層成分的控制能力有限。

采用游離微珠摩擦輔助電鑄時(shí)，游離微珠能有效驅(qū)除吸附在陰極表面的氫氣泡，并起到細(xì)化晶粒的作用，所得電鑄層的力學(xué)性能相較于傳統(tǒng)電鑄工藝更優(yōu)[11]。本文采用鎳、鈷雙陽極，在游離微珠摩擦輔助下電鑄鎳-鈷合金，并研究了所得電鑄層的微觀組織結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電鑄裝置

如圖1所示，使用面積相同的不含硫鎳板和鈷板作為可溶性陽極，對稱放置在陰極兩側(cè)。陰極位于陰極框內(nèi)，周圍充滿游離微珠，在電沉積過程中陰極通過轉(zhuǎn)動(dòng)而與游離微珠之間不斷發(fā)生摩擦。陰極框內(nèi)側(cè)包裹一層紗布，以防游離微珠漏出；側(cè)面開有小孔，有利于電解液的流動(dòng)。

陰極為階梯形不銹鋼圓柱體，直徑12 mm、長15 mm區(qū)域的外表面為電沉積區(qū)，小圓柱端作為引電部分，用703硅膠屏蔽兩個(gè)端面及浸入鍍液的非沉積區(qū)。游離微珠是平均直徑為1 mm的陶瓷球，使用前用去離子水洗凈，烘干后裝于陰極沉積框中。

1.2 電鑄工藝

陰極經(jīng)拋光、去離子水洗后入槽，采用直流穩(wěn)壓電源在氨基磺酸體系中進(jìn)行電鑄，電鑄液組成為：Ni(NH2SO3)2400 g/L，Co(NH2SO3)240 g/L，H3BO330 g/L，NiCl2·6H2O 15 g/L。鎳陽極電流密度固定為4.0 A/dm2，鈷陽極電流密度為1.0、1.7、2.4或3.1 A/dm2，溫度為45 °C，通過控制電鑄時(shí)間，得到厚度約為10 μm和30 μm的電鑄層。

1.3 性能檢測

采用HXS-1000A型數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)測量電鑄層的顯微硬度，載荷0.49 N，保荷時(shí)間10 s，每個(gè)樣品取6個(gè)不同部位測量值的平均值。采用JSM-6510型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察電鑄層的形貌。使用K-Alpha+型X射線光電子能譜儀(XPS)和Ultima IV型X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的組分。

2 結(jié)果與討論

2.1 鈷含量及顯微硬度分析

從圖2可以看出，當(dāng)鎳陽極電流密度固定為4.0 A/dm2時(shí)，隨鈷陽極電流密度從1.0 A/dm2升高到3.1 A/dm2，Ni-Co合金電鑄層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由59.09%增大到61.31%，但整體變化較小。Ni-Co合金電鑄層顯微硬度的變化與之相反，隨鈷陽極電流密度升高而下降?？赡苁且?yàn)殁掙枠O電流密度增大時(shí)，游離微珠對陰極的摩擦作用被弱化，晶粒細(xì)化作用減弱，致使鍍層的顯微硬度下降。

2.2 SEM分析

從圖3可以看出，在不同鈷陽極電流密度下電鑄所得Ni-Co合金表面都較光滑、平整和細(xì)致，整體差別不大。Ni-Co合金表面都有明顯的摩擦痕跡，表明在電鑄過程中游離微珠對陰極表面有摩擦作用。相對而言，鈷陽極電流密度為1.0 A/dm2時(shí)電鑄所得Ni-Co合金的摩擦痕跡最多，晶粒較細(xì)，3.1 A/dm2時(shí)所得的Ni-Co合金表面摩擦痕跡最少，晶粒較大。這表明隨著鈷陽極電流密度增大，游離微珠對電鑄層表面的摩擦減弱，晶粒呈略微增大的趨勢，與顯微硬度的變化趨勢吻合。

2.3 XRD分析

從圖4可知，在不同鈷陽極電流密度下電鑄所得的Ni-Co合金都呈現(xiàn)出2種相結(jié)構(gòu)，即面心立方結(jié)構(gòu)的α-Co(Ni)和密排六方結(jié)構(gòu)的ε-Co(Ni)。隨著鈷陽極電流密度的升高，(111)晶面的峰強(qiáng)略降，而其他晶面的峰強(qiáng)變化不大。

3 結(jié)論

(1) 在鎳陽極電流密度固定為4.0 A/dm2時(shí)，隨鈷陽極電流密度增大，Ni-Co合金電鑄層的Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)略增，顯微硬度減小。

(2) 在電鑄過程中，游離微珠對陰極表面有明顯的摩擦作用。隨著鈷陽極電流密度的增大，Ni-Co合金電鑄層表面摩擦痕跡減少，晶粒呈略微增大的趨勢。

(3) 鈷陽極電流密度對Ni-Co合金電鑄層相結(jié)構(gòu)的影響不大。在不同鈷陽極電流密度下所得Ni-Co合金電鑄層都含有面心立方和密排六方兩種相結(jié)構(gòu)。

(4) 鈷陽極電流密度為1.0 A/dm2時(shí)，Ni-Co合金電鑄層表面晶粒最細(xì)致、平整，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59.09%，顯微硬度為623 HV。